Гідродинаміка факелу розпилу на виході з корзини обертового вібраційного гранулятора мінеральних добрив

Abstract

Дисертаційна робота присвячена дослідженню факелу розпилу плаву на виході з корзини обертового вібраційного гранулятора мінеральних добрив. Виробництво добрив реалізується при використанні грануляторів, серед рухомих елементів в якому, є корзина з отворами для плаву. Використання такого обладнання дає можливість отримання монодисперсних гранул мінеральних добрив. У відповідності до мети та поставлених задач, дослідження набули комплексного характеру. При проведенні досліджень використано як теоретичні, так і практичні методи. Теоретичні методи полягали в програмуванні процесів диспергування плаву з визначенням діаметру крапель рідини, складової швидкості руху крапель. Розрахунки, пов’язані з обробкою отриманих результатів експериментального дослідження, а також моделювання, здійснено з використанням програмного забезпечення Maple та інструменту Microsoft Excel. Теоретична частина роботи містить теоретичні дослідження щодо діаметру факелу розпилу на виході з корзини обертового вібраційного гранулятора. Зокрема, розроблена методика розрахунку діаметра факелу гранул на виході з корзини ОВГ, що обертається, при наявності декількох паралельно працюючих ОВГ у одній грануляційній башті. Дана методика є важливою з точки зору розташування кількох ОВГ в одній башті. Цим характеризується недопущення перехрещення факелів гранул, що приводить до погіршення монодисперсного складу грануляційного продукту. У ході теоретичних досліджень визначено залежність зміни тиску у кільцевому просторі між нерухомим патрубком уводу плаву та внутрішньою поверхнею корзини, що обертається, та визначено, що основне підвищення тиску від обертового руху корзини відбувається в області розташованій на 2/3 радіуса корзини. А внаслідок визначення зміни колової швидкості плава у відповідності до зміни радіуса у внутрішньому просторі корзини встановлено, що за швидкості до 0,2 об/хв рідина не задіюється в обертовий рух. Водночас зі збільшенням швидкості обертання корзини збільшується відцентрова сила і витрата плаву. При виконанні експериментального дослідження використано ряд методів: спостереження, вимірювання та безпосередньо експеримент. Даними загальнонауковими методами здійснено зняття показників розміру крапель (мм) та розміру факелу розпилу (мм) на виході з корзини обертового вібраційного гранулятора шляхом використання методу вимірювання за постійного обертання корзини гранулятора, що відноситься безпосередньо методу експерименту. Методами спостереження та порівняння за перебігом процесу гранулювання при зміні параметрів швидкості обертання корзини гранулятора (10-46 об/хв), частоти збудника механічних коливань (340-500 Гц) та рівня стовпа рідини (80-250 мм) реалізовано поетапний експеримент. Методику експериментального дослідження реалізовано шляхом використання методу опису, чим здійснено аналіз структури поста керування експериментальної установки та основних її структурних елементів. Існуючою експериментальною установкою є гранулятор мінеральних добрив кафедри хімічної інженерії Сумського державного університету. У ході виконання експериментів досліджувався розмір факелу розпилу на виході з корзини обертового вібраційного гранулятора мінеральних добрив. Дослідження проводилися зі зміною швидкості обертання корзини обертового вібраційного гранулятора, а також зміни рівня стовпа рідини всередині нього. Також, у ході експериментів визначено розмір крапель у потоці струменів плаву на виході з корзини ОВГ. Даний параметр визначався зі зміною частоти збудника механічних коливань. Результатами І, ІІ та ІІІ експериментів, що полягали в дослідженні розміру факелу розпилу на виході з корзини ОВГ, встановлено збільшення факелу розпилу для кожного експерименту окремо згідно зі збільшенням рівня стовпа рідини всередині гранулятора відповідно 80, 150 та 250 мм. В ході експериментів встановлено збільшення факелу розпилу окремо зі зміною швидкості обертання корзини обертового вібраційного гранулятора по ступеням 10, 20, 30, 40, 46 об/хв. Кожне покрокове збільшення швидкості обертання корзини за рівня стовпа рідини 80 мм (І експериментальне дослідження) показало збільшення розміру факелу розпилу зі 380 до 425 мм. Аналогічним чином ІІ та ІІІ експериментальні дослідження, що відповідали збільшенню рівня стовпа рідини відповідно до 150 та 250 мм, представили показники факелу розпилу, що знаходилися в межах 455 – 510 мм (для ІІ експериментального дослідження) та 530 – 570 мм (для ІІІ експериментального дослідження). Дослідження, пов’язані з розміром радіусу факелу розпилу на виході з корзини обертового вібраційного гранулятора, є важливим елементом з метою співставлення отриманих даних теоретичних розрахунків з підтвердженням їх з результатами експериментального дослідження. З метою оцінки роботи розробленої методики розрахунку радіусу факелу розпилу дані, отримані у ході експериментальних досліджень, доцільно прівняти з теоретичними результатами. Методикою розрахунку діаметру факелу розпилу є можливість уточнення вихідних даних, серед яких і швидкість обертання корзини гранулятора, і рівень стовпа рідини всередині, діаметр отворів та їх кількість, радіус корзини гранулятора. Такі параметри враховано в ході виконання експериментального дослідження згідно з представленою методикою експерименту Отримані у ході моделювання числові значення для траєкторії руху крапель відображаються відповідно по осям Sx та Sy як відповідно горизонтальна вертикальна складова траєкторії руху краплі. При задаванні необхідного значення вертикальної складової траєкторії руху крапель є можливість на визначеному рівні по вертикалі отримання значення траєкторії руху по горизонталі. Це враховано при співставленні результатів теоретичних та експериментальних досліджень, головним чином, розміщенням мірного інструменту на відстані 150 мм від днища корзини гранулятора та визначення на даній відстані радіусу факелу розпилу. Отримані результати факелу розпилу одночасно співставлено з показниками витрати рідини. Для І експерименту такий показник склав 18 м3 /год, для ІІ експерименту – 24 м3 /год, для ІІІ – 29 м3 /год. Таким чином, показник розміру факелу розпилу, співставлений з показником витрати рідни складав 21,1; 19 та 18,3. В дослідженнях, де показано об’єм рідини, також проаналізовано рівень стовпа рідини всередині обертового вібраційного гранулятора. У відповідності до визначеної методики проведення експериментального дослідження, залежність витрати рідини на виході з корзини обертового вібраційного гранулятора від рівня стовпа рідини проведено по ступеням зміни рівня стовпа рідини від 80 до 250 мм. Побудований графік витрати рідини в залежності від рівня стовпа рідини показав плавне збільшення об’єму рідини при збільшенні рівня її стовпа всередині гранулятора. Такі показники знаходилися в проміжку 19 м3 /год об’єму плаву для 80 мм рівня стовпа рідини і до 29 м3 /год об’єму плаву для 250 мм рівня стовпа рідини. Визначення розміру крапель здійснено зі зміною частоти збудника механічних коливань по ступеням 340, 370, 400, 430, 470, 500 Гц. Встановлено зменшення розміру крапель при збільшенні частоти збудника механічних коливань. Отримані результати дослідження дають можливість ствердження щодо збільшення відстані між струменями плаву за умови збільшення факелу розпилу на виході з корзини обертового вібраційного гранулятора. За рахунок збільшення відстані між даними струменями зменшується вірогідність їх пересічення між собою. Також, збільшення факелу розпилу дає можливість збільшення продуктивності експериментальної установки за незмінної кількості отворів в корзині обертового вібраційного гранулятора. Співставлення отриманих результатів експериментального дослідження та теоретичних розрахунків дає привід стверджувати про якісну роботу методики дослідження факелу розпилу. Результати трьох експериментальних досліджень, співставлено з теоретичними розрахунками за однакових вихідних даних, чим підтверджено схожість отриманих результатів. При використанні програмування для методики розрахунку радіусу факелу розпилу на виході з корзини обертового вібраційного гранулятора за кожним з трьох експериментів по рівням стовпа рідини 80, 150 та 250 мм значення, отримані теоретично, показали відповідність отриманих результатів експериментальним дослідженням.

The thesis is devoted to the study of the spray plume of the molten liquid at the basket outlet of a rotating vibrational granulator for mineral fertilizers. Fertilizer production relies on granulators, among the moving components of which is a perforated basket designed for the molten liquid. The use of such equipment enables the production of monodisperse mineral fertilizer granules. In accordance with the goal and objectives, the study has acquired a comprehensive nature, integrating both theoretical and practical methods. Theoretical analysis involved programming the processes of melt dispersion with the determination of the droplet diameter, the velocity component of the droplet motion. These calculations are related to the processing of experimental data and numerical simulations conducted using the Maple software and Microsoft Excel tool. The theoretical part of the study contains theoretical studies on the diameter of the spray plume at the basket outlet of a rotating vibrational granulator. In particular, a specialized method has been developed to calculate the diameter of the pellet plume at the basket outlet of a rotating vibrational granulator (RVG), considering the scenario where multiple operating vibrational granulators operate parallel within a single granulation tower. This method is essential for the proper arrangement of multiple RVGs within a single tower. It prevents the intersection of the pellet plume, which would otherwise lead to a degradation of the monodispersity of the granulated product. Theoretical research has established the relationship between pressure variation in the annular space between the stationary inlet nozzle and the inner surface of the rotating basket. It has been determined that the main pressure increase due to the basket rotational motion occurs in the area located at 2/3 of the radius of the basket. Additionally, an analysis of the change in the circumferential velocity of the molten liquid in relation to the radius within the basket inner space has shown that at rotational speeds up to 0.2 rpm, the liquid is not involved in rotational motion. At the same time, as the basket rotational speed increases, the centrifugal force and the molten liquid flow rate also increase. The experimental study was performed using a range of methods, including observation, measurement and direct experiment. These general scientific methods were used to measure the droplet size (mm) and the spray plume (mm) at the basket outlet of a rotating vibrational granulator. Measurements were taken while maintaining a constant basket rotation speed, which is directly related to the experimental method. A step-by step experiment was carried out through observation and comparative analysis of the granulation process under varying parameters: basket rotation speed (10-46 rpm), the excitation frequencies of the mechanical vibration (340-500 Hz) and the liquid column height (80-250 mm). The experimental methodology was implemented using the descriptive approach, enabling an analysis of the control system of the experimental unit and its main structural components. The existing experimental unit is a mineral fertilizer granulator installed at the Department of Chemical Engineering of Sumy State University. During the experiments, the size of the spray plume at the basket outlet of the rotating vibrational granulator for mineral fertilizers was studied. The study was conducted by varying the rotation speed of the basket of the rotating vibrational granulator and adjusting the liquid column height inside it. Also, during the experiments, the droplet size within the flow of molten stream at the basket outlet was measured, with this parameter being analyzed under different excitation frequencies of the mechanical vibration. The results of I, II and III experiments, which focused on measuring the spray plume size at the RVGs basket outlet, showed a consistent increase in the spray plume as the liquid column height inside the granulator increased to 80 mm, 150 mm, and 250 mm, respectively. The experiments also demonstrated that the spray plume expanded with increasing basket rotation speed, tested at increments of 10, 20, 30, 40, 46 rpm. In the experiment I, with a liquid column height of 80 mm, each stepwise increase in basket rotation speed resulted in the spray plume increase from 380 mm to 425 mm. Similarly, in the II and III experiments, where the liquid column height was increased to 150 mm and 250 mm, respectively, the spray plume size ranged from 455 mm to 510 mm (for the II experiment) and from 530 mm to 570 mm (for the III experiment). Studies related the radius of the spray plume at the basket outlet of rotating vibrational granulator is a crucial element in comparing theoretical calculations with experimental findings. To evaluate the effectiveness of the developed method for calculating the spray plume radius, it is essential to compare experimental data with theoretical results. The proposed calculation method allows for refining key input parameters, including the granulator basket rotational speed, the liquid column height inside the basket, the diameter and number of outlet holes, and the basket radius. These parameters were accounted for during experimental studies following the outlined experimental method. Numerical simulations of droplet trajectory movement provide corresponding values along the Sx and Sy axes, representing the horizontal and vertical trajectory components, respectively. By setting the required vertical droplet trajectory component, it is possible to determine the horizontal movement trajectory at a given vertical level. This is taken into account when comparing theoretical and experimental results, particularly by placing the measuring instrument at a distance of 150 mm from the basket bottom of the granulator to determine the spray plume radius at this distance. The obtained spray plume data were simultaneously compared with the liquid flow rate measurements. The flow rates were 18 m3/h for the I experiment, 24 m3 /h for the II experiment, and 29 m3 /h for the III experiment. Thus, the ratio of the spray plume size to liquid flow rate was 21.1, 19, and 18.3 for the I, II and III experiments, respectively. In the studies analyzing liquid volume, the liquid column height inside the rotating vibrational granulator was also analyzed. According to the defined experimental method, the dependence of the liquid flow rate at the granulator basket outlet on the liquid column height was studied in increments, varying the height from 80 mm to 250 mm. A graph plotting the liquid flow rate against the liquid column height showed a steady increase in the liquid volume as the liquid column height increased within the granulator. Such values ranged from 19 m3/h of molten liquid at a column height of 80 mm to 29 m3 /h at 250 mm. The droplet size was measured by varying the excitation frequency of mechanical vibration in increments of 340, 370, 400, 430, 470, 500 Hz. The study revealed that an increase in the excitation frequency of the mechanical vibrations led to a decrease in droplet size. The obtained results allow us to state that an increase in spray plume size at the granulator basket outlet leads to greater distance between individual molten streams. By increasing the distance between these streams, the probability of their intersection with each other decreases. Also, an increase in the spray plume makes it possible to increase the productivity of the experimental unit while maintaining a constant number of holes in the rotating vibrational granulator basket. A comparison of experimental results with theoretical calculations confirms the reliability of the method used to study the spray plume. The results of three experimental studies were compared with theoretical calculations under identical initial conditions, demonstrating a high degree of consistency. Additionally, when using computational programming to determine the spray plume radius at liquid column heights of 80 mm, 150 mm, and 250 mm, the theoretical values closely matched the experimental data, further validating the accuracy of the proposed method.